微波及射頻電路設(shè)計(jì)

1、本文主要針對(duì)通訊產(chǎn)品的一個(gè)前沿范疇棗微波級(jí)高頻電路及其PCB設(shè)計(jì)方面的理念及其設(shè)計(jì)原則。之所以選擇微波級(jí)高頻電路之PCB設(shè)計(jì)原則，是因?yàn)樵摲矫嬖瓌t具有廣泛的指導(dǎo)意義且屬當(dāng)前的高科技熱門(mén)應(yīng)用技術(shù)。從微波電路PCB設(shè)計(jì)理念過(guò)渡到高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（包括各類(lèi)接入網(wǎng)）工程，也是一脈相通的，因?yàn)樗鼈兓谕换驹項(xiàng)楇p傳輸線理論。有經(jīng)驗(yàn)的射頻工程師設(shè)計(jì)的數(shù)字電路或相對(duì)較低頻率電路PCB，一次成功率是非常高的，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)理念是以“分布”參數(shù)為核心，而分布參數(shù)概念在較低頻率電路（包括數(shù)字電路中）中的破壞作用，常為人們所忽略。長(zhǎng)期以來(lái)，許多同行完成的電子產(chǎn)品（主要針對(duì)通訊產(chǎn)品）設(shè)計(jì)，往往問(wèn)題重重。一方面固然與電

2、原理設(shè)計(jì)（包括冗余設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等方面）的必要環(huán)節(jié)缺乏有關(guān)，但更重要的，是許多這類(lèi)問(wèn)題在人們認(rèn)為已經(jīng)考慮了各項(xiàng)必要環(huán)節(jié)下而發(fā)生的。針對(duì)這些問(wèn)題，他們往往將精力花在對(duì)程序、電原理、參數(shù)冗余等方面的核查上，卻極少將精力花在對(duì)PCB設(shè)計(jì)的審核方面，而往往正是由于PCB電路板設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致大量的產(chǎn)品性能問(wèn)題。PCB板設(shè)計(jì)原則涉及到許多方方面面，包括各項(xiàng)基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護(hù)等等。對(duì)于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級(jí)高頻電路）方面，相關(guān)理念的缺乏，往往導(dǎo)致整個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的失敗。許多人還停留在“將電原理用導(dǎo)體連接起來(lái)發(fā)揮預(yù)定作用”基礎(chǔ)上，甚至認(rèn)為“PCB設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)、工藝和提高生產(chǎn)效率

3、等方面的考慮范疇”。許多專(zhuān)業(yè)射頻工程師也沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到該環(huán)節(jié)在射頻設(shè)計(jì)中，應(yīng)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的特別重點(diǎn)，而錯(cuò)誤地將精力花費(fèi)在選擇高性能的元器件，結(jié)果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。應(yīng)特別在此提出的是，數(shù)字電路依靠其強(qiáng)的抗干擾、檢糾錯(cuò)以及可任意構(gòu)造各個(gè)智能環(huán)節(jié)來(lái)確保電路的正常功能。一個(gè)普通的數(shù)字應(yīng)用電路而高附加地配置各類(lèi)“確保正?！钡沫h(huán)節(jié)，顯然屬于沒(méi)有產(chǎn)品概念的舉措。但往往在認(rèn)為“不值得”的環(huán)節(jié)，卻導(dǎo)致產(chǎn)品的系列問(wèn)題。原因是這類(lèi)在產(chǎn)品工程角度看不值得構(gòu)造可靠性保證的功能環(huán)節(jié)，應(yīng)該建立在數(shù)字電路本身的工作機(jī)理上，只是在電路設(shè)計(jì)（包括PCB設(shè)計(jì)）中的錯(cuò)誤構(gòu)造，導(dǎo)致電路處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。這種不穩(wěn)

4、定狀態(tài)的導(dǎo)致，與高頻電路的類(lèi)似問(wèn)題屬于同一概念下的基本應(yīng)用。在數(shù)字電路中，有三個(gè)方面值得認(rèn)真對(duì)待：（1）數(shù)字信號(hào)本身屬于廣譜信號(hào)。根據(jù)傅里葉函數(shù)結(jié)果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數(shù)字IC在設(shè)計(jì)中，均充分考慮了數(shù)字信號(hào)的高頻分量。但除了數(shù)字IC 外，各功能環(huán)節(jié)內(nèi)部及之間的信號(hào)過(guò)渡區(qū)域，若任意而為，將會(huì)導(dǎo)致系列問(wèn)題。尤其在數(shù)字與模擬和高頻電路混合應(yīng)用的電路場(chǎng)合。（2）數(shù)字電路應(yīng)用中的各類(lèi)可靠性設(shè)計(jì)，與電路在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性要求及產(chǎn)品工程要求相關(guān)，不能將采用常規(guī)設(shè)計(jì)完全能達(dá)到要求的電路附加各類(lèi)高成本的“保障”部分。（3）數(shù)字電路的工作速率正在以前所未有的發(fā)展邁向高頻（例如目前的CPU，其主頻已經(jīng)

5、達(dá)到1.7GHz 棗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)微波頻段下限）。盡管相關(guān)器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件內(nèi)部和典型外部信號(hào)特征基礎(chǔ)上。微波電路及其PCB 設(shè)計(jì)一關(guān)于CAD 輔助設(shè)計(jì)軟件與網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)于高頻電路設(shè)計(jì)，當(dāng)前已經(jīng)有了很好的CAD 類(lèi)軟件，其強(qiáng)大的功能足以克服人們?cè)谠O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方面的不足及繁瑣的參數(shù)檢索與計(jì)算，再配合功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)分析儀，按理應(yīng)該是稍具經(jīng)驗(yàn)者便能完成質(zhì)量較好的射頻部件。但是，實(shí)際中卻不是這回事。CAD 設(shè)計(jì)軟件依靠的是強(qiáng)大的庫(kù)函數(shù)，包含了世界上絕大部分無(wú)線電器件生產(chǎn)商提供的元器件參數(shù)與基本性能指標(biāo)。不少射頻工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為：只要利用該工具軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，就不會(huì)有多大問(wèn)題。但實(shí)際結(jié)果

6、卻總是與愿望相反，原因是他們?cè)阱e(cuò)誤認(rèn)識(shí)下放棄高頻電路設(shè)計(jì)基本概念的靈活應(yīng)用及基本設(shè)計(jì)原則的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)果在軟件工具的應(yīng)用中常犯下基本應(yīng)用錯(cuò)誤。射頻電路設(shè)計(jì)CAD 軟件屬于透明可視化軟件，利用其各類(lèi)高頻基本組態(tài)模型庫(kù)來(lái)完成對(duì)實(shí)際電路工作狀態(tài)的模擬。至此，我們已經(jīng)可以明白其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié):高頻基本組態(tài)模型有兩類(lèi)，一類(lèi)屬于集中參數(shù)形態(tài)之元器件模型，另一類(lèi)屬于常規(guī)設(shè)計(jì)中的局部功能模型。于是存在如下方面問(wèn)題：（1）元器件模型與CAD 軟件長(zhǎng)期互動(dòng)發(fā)展，日趨完善，實(shí)際中可以基本相信模型的逼真度。但元器件模型所考慮的應(yīng)用環(huán)境（尤其是元器件應(yīng)用的電環(huán)境）均為典型值。多數(shù)情況下，必須利用經(jīng)驗(yàn)確定系列應(yīng)用參數(shù)，

7、否則其實(shí)際結(jié)果有時(shí)甚至比不借助CAD 軟件的設(shè)計(jì)結(jié)果相差更遠(yuǎn)。（2）CAD 軟件中建立的常規(guī)高頻基本組態(tài)模型，通常限于目前應(yīng)用條件下可預(yù)知的方面，而且只能局限于基本功能模型（否則產(chǎn)品研發(fā)無(wú)須用人，僅靠CAD 一手包辦而誕生各類(lèi)產(chǎn)品）。（3）特別值得注意的是：典型功能模型的建立，是以典型方式應(yīng)用元器件并以典型完善的工藝方式構(gòu)造（包括PCB 構(gòu)造）下完成的，其性能也達(dá)到“典型”的較高水平。但在實(shí)際中，就是完全模仿，也與模型狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。原因是：盡管選用的元器件及其參數(shù)一致，但它們的組合電環(huán)境卻無(wú)法一致。在低頻電路或數(shù)字電路中，這種相差毫厘的情況妨礙不大，但在射頻電路中，往往發(fā)生致命的錯(cuò)誤。（4）在

8、利用CAD 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)中，軟件的容錯(cuò)設(shè)計(jì)并不理睬是否發(fā)生與實(shí)際情況相違背的錯(cuò)誤參數(shù)設(shè)置，于是，按照其軟件運(yùn)行路徑給出一理想的結(jié)果，實(shí)際中卻是問(wèn)題百出的結(jié)果。可以知道其關(guān)鍵錯(cuò)誤環(huán)節(jié)在于沒(méi)有利用射頻電路設(shè)計(jì)的基本原則去正確應(yīng)用CAD 軟件。（5）CAD 軟件僅僅屬于設(shè)計(jì)輔助工具，利用其具備的實(shí)時(shí)模擬功能、強(qiáng)大的元器件模型庫(kù)及其函數(shù)生成功能、典型應(yīng)用模型庫(kù)等等方面來(lái)簡(jiǎn)化人們的繁瑣設(shè)計(jì)與計(jì)算工作，到目前為為止，尚遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法在具體設(shè)計(jì)方面代替人工智能。CAD 軟件在射頻PCB 輔助設(shè)計(jì)中所體現(xiàn)的強(qiáng)大功能是該軟件大受歡迎的一個(gè)重要方面。但實(shí)際中，許多射頻工程師會(huì)經(jīng)?！霸馄浒邓恪薄?dǎo)致原因仍然是其對(duì)參數(shù)設(shè)置

9、的容錯(cuò)特性。往往利用其仿真功能得出一理想的模型（包括各個(gè)功能環(huán)節(jié)），一到實(shí)際調(diào)試中才發(fā)現(xiàn)：還不如利用自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)。所以，CAD 軟件在PCB 設(shè)計(jì)中，仍然僅僅有利于擁有基本的射頻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與技巧的工程師，幫助他們從事繁瑣的過(guò)程設(shè)計(jì)（非基本原則設(shè)計(jì)）。網(wǎng)絡(luò)分析儀分為標(biāo)量和矢量?jī)煞N，是射頻電路設(shè)計(jì)必不可少的儀器。通常的做法是：結(jié)合基本的射頻電路設(shè)計(jì)理念和原則完成電路及PCB 設(shè)計(jì)（或利用CAD 軟件完成），按要求完成PCB 的樣品加工并裝配樣機(jī)，然后利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)逐個(gè)進(jìn)行網(wǎng)路分析，才有可能使電路達(dá)到最佳狀態(tài)。但如此工作的代價(jià)是以至少35 版的PCB 實(shí)際制作，而若沒(méi)有基本的PCB

10、 設(shè)計(jì)原則與基礎(chǔ)理念，所需要的PCB 版本將更多（或者無(wú)法完成設(shè)計(jì)）。由上述可見(jiàn)：（1）在利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)射頻電路進(jìn)行分析過(guò)程中，必須具有完備的高頻電路PCB 設(shè)計(jì)理念和原則，必須能通過(guò)分析結(jié)果而明確知道PCB 的設(shè)計(jì)缺陷棗僅此一項(xiàng)就要求相關(guān)工程師具備相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)。（2）對(duì)樣機(jī)網(wǎng)路環(huán)節(jié)進(jìn)行分析過(guò)程中，必須依靠熟練的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技巧來(lái)構(gòu)造局部功能網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)楹芏鄷r(shí)候，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀所發(fā)現(xiàn)的電路缺陷，會(huì)同時(shí)存在多方面的導(dǎo)致因素，于是必須利用構(gòu)造局部功能網(wǎng)路來(lái)加以分析，徹查導(dǎo)致原因。這種實(shí)驗(yàn)性電路構(gòu)造必須借助清晰的高頻電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與熟練的電路PCB 構(gòu)造原則。二本文的針對(duì)范疇本文主要針對(duì)通訊產(chǎn)品的一個(gè)前沿

11、范疇棗微波級(jí)高頻電路及其PCB 設(shè)計(jì)方面的理念及其設(shè)計(jì)原則。之所以選擇微波級(jí)高頻電路之PCB 設(shè)計(jì)原則，是因?yàn)樵摲矫嬖瓌t具有廣泛的指導(dǎo)意義且屬當(dāng)前的高科技熱門(mén)應(yīng)用技術(shù)。從微波電路PCB 設(shè)計(jì)理念過(guò)渡到高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（包括各類(lèi)接入網(wǎng)）工程，也是一脈相通的，因?yàn)樗鼈兓谕换驹項(xiàng)楇p傳輸線理論。有經(jīng)驗(yàn)的射頻工程師設(shè)計(jì)的數(shù)字電路或相對(duì)較低頻率電路PCB，一次成功率是非常高的，因?yàn)樗麄兊脑O(shè)計(jì)理念是以“分布”參數(shù)為核心，而分布參數(shù)概念在較低頻率電路（包括數(shù)字電路中）中的破壞作用，常為人們所忽略。長(zhǎng)期以來(lái)，許多同行完成的電子產(chǎn)品（主要針對(duì)通訊產(chǎn)品）設(shè)計(jì)，往往問(wèn)題重重。一方面固然與電原理設(shè)計(jì)（包括冗余設(shè)計(jì)、

12、可靠性設(shè)計(jì)等方面）的必要環(huán)節(jié)缺乏有關(guān)，但更重要的，是許多這類(lèi)問(wèn)題在人們認(rèn)為已經(jīng)考慮了各項(xiàng)必要環(huán)節(jié)下而發(fā)生的。針對(duì)這些問(wèn)題，他們往往將精力花在對(duì)程序、電原理、參數(shù)冗余等方面的核查上，卻極少將精力花在對(duì)PCB 設(shè)計(jì)的審核方面，而往往正是由于PCB 設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致大量的產(chǎn)品性能問(wèn)題。PCB 設(shè)計(jì)原則涉及到許多方方面面，包括各項(xiàng)基本原則、抗干擾、電磁兼容、安全防護(hù)，等等。對(duì)于這些方面，特別在高頻電路（尤其在微波級(jí)高頻電路）方面，相關(guān)理念的缺乏，往往導(dǎo)致整個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的失敗。許多人還停留在“將電原理用導(dǎo)體連接起來(lái)發(fā)揮預(yù)定作用”基礎(chǔ)上，甚至認(rèn)為“PCB 設(shè)計(jì)屬于結(jié)構(gòu)、工藝和提高生產(chǎn)效率等方面的考慮范疇”。許

13、多專(zhuān)業(yè)射頻工程師也沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到該環(huán)節(jié)在射頻設(shè)計(jì)中，應(yīng)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的特別重點(diǎn)，而錯(cuò)誤地將精力花費(fèi)在選擇高性能的元器件，結(jié)果是成本大幅上升，性能的提高卻微乎其微。應(yīng)特別在此提出的是，數(shù)字電路依靠其強(qiáng)的抗干擾、檢糾錯(cuò)以及可任意構(gòu)造各個(gè)智能環(huán)節(jié)來(lái)確保電路的正常功能。一個(gè)普通的數(shù)字應(yīng)用電路而高附加地配置各類(lèi)“確保正?！钡沫h(huán)節(jié)，顯然屬于沒(méi)有產(chǎn)品概念的舉措。但往往在認(rèn)為“不值得”的環(huán)節(jié)，卻導(dǎo)致產(chǎn)品的系列問(wèn)題。原因是這類(lèi)在產(chǎn)品工程角度看不值得構(gòu)造可靠性保證的功能環(huán)節(jié)，應(yīng)該建立在數(shù)字電路本身的工作機(jī)理上，只是在電路設(shè)計(jì)（包括PCB 設(shè)計(jì)）中的錯(cuò)誤構(gòu)造，導(dǎo)致電路處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。這種不穩(wěn)定狀態(tài)的導(dǎo)致，與高頻

14、電路的類(lèi)似問(wèn)題屬于同一概念下的基本應(yīng)用。在數(shù)字電路中，有三個(gè)方面值得認(rèn)真對(duì)待：（1）數(shù)字信號(hào)本身屬于廣譜信號(hào)。根據(jù)傅里葉函數(shù)結(jié)果，其包含的高頻成份非常豐富，所以數(shù)字IC 在設(shè)計(jì)中，均充分考慮了數(shù)字信號(hào)的高頻分量。但除了數(shù)字IC 外，各功能環(huán)節(jié)內(nèi)部及之間的信號(hào)過(guò)渡區(qū)域，若任意而為，將會(huì)導(dǎo)致系列問(wèn)題。尤其在數(shù)字與模擬和高頻電路混合應(yīng)用的電路場(chǎng)合。（2）數(shù)字電路應(yīng)用中的各類(lèi)可靠性設(shè)計(jì)，與電路在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性要求及產(chǎn)品工程要求相關(guān)，不能將采用常規(guī)設(shè)計(jì)完全能達(dá)到要求的電路附加各類(lèi)高成本的“保障”部分。（3）數(shù)字電路的工作速率正在以前所未有的發(fā)展邁向高頻（例如目前的CPU，其主頻已經(jīng)達(dá)到1.7GHz

15、棗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)微波頻段下限）。盡管相關(guān)器件的可靠性保障功能也同步配套，但其建立在器件內(nèi)部和典型外部信號(hào)特征基礎(chǔ)上。三雙傳輸線理論對(duì)微波電路設(shè)計(jì)及其PCB 布線原則指導(dǎo)意義綜述（一）雙線理論下的PCB 概念對(duì)于微波級(jí)高頻電路，PCB 上每根相應(yīng)帶狀線都與接地板形成微帶線（非對(duì)稱(chēng)式），對(duì)于兩層以上的PCB，即可形成微帶線，又可形成帶狀線（對(duì)稱(chēng)式微帶傳輸線）。各不同微帶線（雙面PCB）或帶狀線（多層PCB）相互之間，又形成耦合微帶線，由此又形成各類(lèi)復(fù)雜的四端口網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)成微波級(jí)電路PCB 的各種特性規(guī)律?？梢?jiàn)，微帶傳輸線理論，是微波級(jí)高頻電路PCB 的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 對(duì)于800MHz 以上的RF-PCB

16、設(shè)計(jì)，天線附近的PCB 網(wǎng)路設(shè)計(jì)，應(yīng)完全遵循微帶理論基礎(chǔ)（而不是僅僅將微帶概念用于改善集中參數(shù)器件性能的工具）。頻率越高，微帶理論的指導(dǎo)意義便越顯著。 對(duì)于電路的集中參數(shù)與分布參數(shù)，雖然工作頻率越低，分布參數(shù)的作用特性越弱，但分布參數(shù)卻始終是存在的。是否考慮分布參數(shù)對(duì)電路特性的影響，并沒(méi)有明確的分界線。所以，微帶概念的建立，對(duì)于數(shù)字電路與相對(duì)中頻電路PCB 設(shè)計(jì)，同樣是重要的。 微帶理論的基礎(chǔ)與概念和微波級(jí)RF 電路及PCB 設(shè)計(jì)概念，實(shí)際上是微波雙傳輸線理論的一個(gè)應(yīng)用方面，對(duì)于RF-PCB 布線，每相鄰信號(hào)線（包括異面相鄰）間均形成遵循雙線基礎(chǔ)原理的特征（對(duì)此，后續(xù)將有明確的闡述）。 雖然通

17、常的微波 RF 電路均在其一面配置接地板，使得其上的微波信號(hào)傳輸線趨向復(fù)雜的四端口網(wǎng)路，從而直接遵循耦合微帶理論，但其基礎(chǔ)卻仍是雙線理論。所以在設(shè)計(jì)實(shí)際中，雙線理論所具有的指導(dǎo)意義更為廣泛。 通常而言對(duì)于微波電路，微帶理論具有定量指導(dǎo)意義，屬于雙線理論的特定應(yīng)用，而雙線理論具有更廣泛的定性指導(dǎo)意義。 值得一提的是：雙線理論給出的所有概念，從表面上看，似乎有些概念與實(shí)際設(shè)計(jì)工作并無(wú)聯(lián)系（尤其是數(shù)字電路及低頻電路），其實(shí)是一種錯(cuò)覺(jué)。雙線理論可以指導(dǎo)一切電子電路設(shè)計(jì)中的概念問(wèn)題，特別是PCB線路設(shè)計(jì)概念方面的意義更為突出。雖然雙線理論是在微波高頻電路前提下建立的，但這僅僅因?yàn)楦哳l電路中分布參數(shù)的影響

18、變得顯著，使得指導(dǎo)意義特別突出。在數(shù)字或中低頻電路中，分布參數(shù)與集中參數(shù)元器件相比，達(dá)到可以忽略的地步，雙線理論概念變得相應(yīng)模糊。然而，如何分清高頻與低頻電路，在設(shè)計(jì)實(shí)際中卻是經(jīng)常容易忽略的方面。通常的數(shù)字邏輯或脈沖電路屬于哪一類(lèi)？最明顯的具非線性元器件之低頻電路及中低頻電路，一旦某些敏感條件改變，很容易體現(xiàn)出某些高頻特征。高檔CPU 的主頻已經(jīng)到1.7GHz，遠(yuǎn)超過(guò)微波頻率下限，但仍然屬于數(shù)字電路。正因?yàn)檫@些不確定性，使的PCB 設(shè)計(jì)異常重要。 在許多情況下，電路中的無(wú)源元器件，均可等效為特定規(guī)格的傳輸線或微帶線，并可用雙傳輸線理論及其相關(guān)參量去描述?？傊梢哉J(rèn)為雙傳輸線理論是在綜合所有電

19、子電路特征基礎(chǔ)上誕生的。因此，從嚴(yán)格意義上說(shuō)，如果設(shè)計(jì)實(shí)際中的每一環(huán)節(jié)，首先以雙傳輸線理論所體現(xiàn)的概念為原則，那末相應(yīng)的PCB 電路所面臨的問(wèn)題就會(huì)很少（無(wú)論該電路是在什么工作條件下應(yīng)用）。(二)雙傳輸線與微帶線構(gòu)造簡(jiǎn)介1·微波雙線的PCB 形式微帶線是由微波雙線在特定條件下的具體應(yīng)用。圖1-a. 即為微波雙線及其場(chǎng)分布示意圖。在微波級(jí)工作頻率的PCB 基板上，可以構(gòu)成常規(guī)的異面平行雙線（圖1-b.所示）或變異的異面平行雙線（圖1-c.所示）。當(dāng)其中一條狀線與另一條狀線相比可等效為無(wú)窮大時(shí)，便構(gòu)成典型的微帶線（如圖1-d.所示）。從雙傳輸線到微帶，僅邊緣特性改變，定性特征基本一致。注

20、：在許多微波專(zhuān)業(yè)論述中，均僅僅描述由常規(guī)均勻圓柱形導(dǎo)體構(gòu)成的雙傳輸線，對(duì)PCB 電路的雙線描述則以矩形條狀線為常規(guī)雙傳輸線。2·微帶線的雙線特征圖2-a.為常規(guī)微波雙線的場(chǎng)分布示意圖。圖2-b.為PCB 條狀線場(chǎng)分布示意圖。圖2-c.為帶有有限接地板的微波雙線場(chǎng)分布示意（注：圖中雙線之一和接地板連通）。圖2-d 為具有相對(duì)無(wú)窮大接地板之雙線場(chǎng)分布示意（注：圖中雙線之一和接地板連通）。圖3-a.為典型偶模激勵(lì)耦合微帶線場(chǎng)分布示意。圖3-b. 為典型奇模激勵(lì)耦合微帶線場(chǎng)分布示意。從圖1、圖2、圖3 所示場(chǎng)分布狀態(tài)看，雙線與微帶線（包括耦合微帶線）特性?xún)H僅為邊緣特性的不同。四PCB 平行雙

21、線中的電磁波傳輸特性（一）分布參數(shù)概念與雙傳輸線對(duì)于集中參數(shù)電路，隨著工作頻率的提高，電路中的電感量和電容量都將相應(yīng)減少，如圖4 所示的振蕩回路。當(dāng)電路中電感量小到一定程度，將使線圈等效為直線（圖4-b.）；當(dāng)電容量小到一定程度，將由導(dǎo)線間分布電容所替代（圖4-c.）。由上述定性描述得如下高頻電路設(shè)計(jì)原則： 當(dāng)工作頻率較高時(shí)，集中參數(shù)將轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)，并起主導(dǎo)作用。這是微波電路的主要形式。 在分布參數(shù)PCB 電路中，沿導(dǎo)線處處分布電感，導(dǎo)線間處處分布電容。 在高頻PCB 電路設(shè)計(jì)中，注意元器件標(biāo)稱(chēng)值與實(shí)際值的離散性差別是相對(duì)于工作頻率而定的。 由圖可知，PCB 條狀雙線就是具有分布參數(shù)之電路的

22、簡(jiǎn)單形式，除了可以傳輸電磁能外，還可作為諧振回路使用。（二）PCB 條狀雙線分布參數(shù)的等效方式通常將一段雙線導(dǎo)線分成許多小段（例如每段長(zhǎng)度1cm），然后將每段雙導(dǎo)線所具有的分布電感與電容量表示為集中參數(shù)形式，如圖5 所示。圖中b 線，可以是PCB 上與a 同面并行之走線或地線，也可以是異面并行之走線，為便于解釋?zhuān)@里指空氣中兩并行線。在雙線傳輸分析上，常將介質(zhì)損耗忽略（即R1<<L1，G1<<C1），然后等效為圖5 所示的“無(wú)耗傳輸線”形式（即忽略電磁波衰耗）。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，可知每1cm 的條狀雙傳輸線電感量與電容量分別為：L1 (/)ln(2D/d) (H)C1/l

23、n(2D/d) (F)式中，=線間介質(zhì)磁導(dǎo)率（H/cm）。當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，=0=4×E-5（H/cm）；=線間介電常數(shù)。當(dāng)介質(zhì)為空氣時(shí)，=0=8.85×E-10；D=雙線間距；d=PCB 線厚度或?qū)挾龋ň唧w定義詳見(jiàn)后續(xù)說(shuō)明）。綜合上述的設(shè)計(jì)概念如下： PCB 中，可分別近似認(rèn)為d 為銅皮寬度（對(duì)電感）或銅皮厚度（對(duì)電容），前提是對(duì)無(wú)接地板的同面雙線。對(duì)于異面平行雙線時(shí)，D 為PCB 厚度，d 為線寬。 工作于高頻狀態(tài)兩層以上PCB 設(shè)計(jì)中，不僅要考慮同面走線間的分布參數(shù)，也需考慮異面走線間的分布參數(shù)，而且更為重要（具接地板的RF-PCB 電路則屬于另外的分析方式棗參見(jiàn)后續(xù)）

24、。（三）電磁波在PCB 條狀雙線上的傳輸特點(diǎn)圖3 所示的PCB 條狀雙線等效電路中，在直流電源接入瞬間，從左到右，電壓和電流是以依次向相鄰電容充電，然后向次級(jí)電容放電的過(guò)程形式傳播的，稱(chēng)為電流行波。若將圖6 中電源換為簡(jiǎn)諧規(guī)律的交流源，可以推知，將有一電壓行波從左至右傳播。沿線電壓值與時(shí)間位置均有關(guān)。這種電壓行波，在工作波長(zhǎng)與所考察傳輸線長(zhǎng)度可比擬時(shí)，是較為明顯的。有電壓必有電場(chǎng)，有電流必有磁場(chǎng)，所以沿線電場(chǎng)與磁場(chǎng)是以簡(jiǎn)諧規(guī)律沿傳輸線傳播的。綜上所述，可知道微波級(jí)高頻電路之PCB 特征如下： 當(dāng)PCB 走線與工作波長(zhǎng)可相比擬時(shí)，電壓和電流從一端傳到另一端的形式已不是電動(dòng)勢(shì)作用下的電流規(guī)律，而是

25、以行波形式傳播，但不是向周?chē)椛洹?行波的能量形式，體現(xiàn)為電磁波形式，而且在導(dǎo)體引導(dǎo)下沿線傳播。工作頻率越高，電磁波能量形式越明顯，通常意義下的集中參數(shù)器件之處理功能越弱。 必須明確：當(dāng)頻率足夠高時(shí)，PCB 走線開(kāi)始脫離經(jīng)典的歐姆規(guī)律，而以“行波”或電磁波導(dǎo)向條形式體現(xiàn)其在電路中的功能。（四）行波的傳播特性1入射波與反射波對(duì)于理想的“無(wú)耗傳輸線”（忽略損耗），在簡(jiǎn)諧波作用下，可推出PCB 傳輸線上瞬時(shí)電流波表達(dá)式為：i(t , z) = Acos(t-z)-cos(t+z)式中，t=傳播時(shí)刻；z=傳輸線上位置（距起端距離）；A、B=與激勵(lì)信號(hào)幅度及終端負(fù)載有關(guān)的常數(shù)（入射波與反射波幅度）；=相

26、角；=相移常數(shù)。由瞬時(shí)電流波表達(dá)式可知，在簡(jiǎn)諧波激勵(lì)下，PCB 傳輸線上電流為兩個(gè)簡(jiǎn)諧波電流的代數(shù)和。分別對(duì)式中兩項(xiàng)作函數(shù)圖，可知：第一項(xiàng)電流為隨時(shí)間沿+Z 方向（由電源到負(fù)載）的電流波；第二項(xiàng)為隨時(shí)間沿-Z 方向（由負(fù)載到電源）傳輸?shù)碾娏鞑?。前者稱(chēng)為入射電流波，后者稱(chēng)為反射電流波。 即：穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，PCB 傳輸線上的電流是線上向相反方向傳播的兩個(gè)波疊加之結(jié)果。2關(guān)系常數(shù)簡(jiǎn)介 =衰減常數(shù)。若考慮PCB 傳輸線損耗，則0。 =相移常數(shù)。其為電磁波沿PCB 傳輸線傳播單位長(zhǎng)度的相移，與波長(zhǎng)有關(guān)系：=2/。參照?qǐng)D2，又有關(guān)系：= =傳播常數(shù)?？紤]PCB 傳輸線損耗時(shí)，波的衰減常數(shù) 與相移常數(shù) 的變量

27、和，即：=+j Vp=相速，行波等相位點(diǎn)的傳播速度。相速與、 間存在關(guān)系：vp=/。當(dāng)電磁波傳播方向是與Z 方向平行，則有Vp=Vc(Vc 表示光速)。可以推出：Vp=在空氣介質(zhì)中則有Vp=Vc= = =3E-8（m/s）綜上所述，可以推知高頻電路及其PCB 設(shè)計(jì)原則如下： 分布參數(shù)電路不僅僅體現(xiàn)在集中參數(shù)向分布參數(shù)的轉(zhuǎn)化，更重要的是PCB 電路的信號(hào)處理與傳輸，都開(kāi)始部分地遵循電磁波的固有特性。工作頻率越高，這種特性越突出。 反射波概念是提高電路輸出功率或效率的根本概念，否則將導(dǎo)致與設(shè)計(jì)不符的一系列問(wèn)題。 分布參數(shù)的考察，涉及電磁波理論中的一些基本物理定義，認(rèn)真掌握這些物理定義在電路中的體現(xiàn)

28、及計(jì)算方式，是解決設(shè)計(jì)實(shí)際的根本手段之一。 微波級(jí)高頻電路PCB 帶裝線的分布參數(shù)特性，可以通過(guò)一些關(guān)系常數(shù)所體現(xiàn)的表達(dá)式表征，并通過(guò)這些常數(shù)達(dá)到PCB 設(shè)計(jì)目的。關(guān)鍵應(yīng)用在產(chǎn)品工程中，PCB 的設(shè)計(jì)占據(jù)非常重要的位置，尤其在高頻電設(shè)計(jì)中。將高頻電路之PCB 的設(shè)計(jì)原則與技巧應(yīng)用于數(shù)字電路或具有非線性器件的低頻電路，則可以大幅提高成功率。五PCB 傳輸線的工作狀態(tài)（一）PCB 傳輸線特性阻抗、匹配及反射1特性阻抗ZcZc 為PCB 傳輸線對(duì)入射波所呈現(xiàn)的阻抗，或在行波狀態(tài)下線上電壓與電流之比。對(duì)圖2 電路，有：進(jìn)一步推導(dǎo)可得及 Zc120ln(2D/d)=276lg (2D/d)上式中D 和d

29、 的定義與“二（二）”中的D、d 定義等同。 可見(jiàn)，PCB 傳輸線特性阻抗Zc 僅與傳輸線參數(shù)（L1、C1、或D、d 等）有關(guān)，且呈現(xiàn)純電阻特性，與實(shí)際激勵(lì)電源無(wú)關(guān)。PCB 傳輸線的特性阻抗值一般在250700 之間。2PCB 傳輸線的匹配與反射系數(shù)當(dāng)PCB 傳輸線長(zhǎng)到與工作波長(zhǎng) 可比擬時(shí)，傳輸線上可同時(shí)傳輸兩個(gè)波：由電源向負(fù)載的入射波及由負(fù)載向電源的反射波。每個(gè)電流波還伴隨電壓波（反之亦然），而PCB 傳輸線任意點(diǎn)的電壓和電流由特性阻抗Zc 相聯(lián)系。為便于理解，設(shè)一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，沿線各處的特性阻抗為Zc。在激勵(lì)源作用下，電磁能不斷地向終端傳播。由于傳輸線為無(wú)限長(zhǎng)且阻抗處處相同，電磁能不會(huì)被

30、反射。此時(shí)，僅存在入射波，即傳輸線工作在行波狀態(tài)。當(dāng)傳輸線成為有限長(zhǎng)并接負(fù)載，如圖7 所示。當(dāng)使ZL=Zc 時(shí)，相當(dāng)于負(fù)載代替了其右邊的無(wú)限長(zhǎng)傳輸線，對(duì)其左邊電壓或電流波傳輸將無(wú)影響。此時(shí)，能量將從電源向負(fù)載單向傳輸而無(wú)反射，保持行波狀態(tài)，即能量全部為負(fù)載吸收。這種狀態(tài)稱(chēng)為匹配，其負(fù)載為匹配負(fù)載。實(shí)際中，電磁能在PCB 線路中傳輸（從一個(gè)環(huán)節(jié)傳到另一個(gè)環(huán)節(jié)，或從RF 源傳到天線），通常難以做到完全匹配，于是，入射波與反射波同時(shí)存在的現(xiàn)象在所難免，但要求盡可能使反射波幅值小，以提高電路效率及傳輸功率。通常用反射波復(fù)數(shù)幅度與入射波復(fù)數(shù)幅度的比值來(lái)衡量線路上波的反射情況。其比值稱(chēng)為反射系數(shù)，用表示。

31、對(duì)電壓波為v；對(duì)電流波為i，并有；式中A、B、z 的定義參見(jiàn)前述（二（四）。可見(jiàn)，反射系數(shù)是復(fù)數(shù)量，且隨位置z 的變化而變化。入射波與反射波之間不僅有一定關(guān)系，相位間也有一定關(guān)系。由于反射波是由入射波在負(fù)載處反射形成的，所以其幅度恒小于入射波幅度，即反射系數(shù)模值在0±1 之間變化。在微波技術(shù)中，常用電壓反射系數(shù)表示反射系數(shù)。可以推出，PCB 傳輸線終端負(fù)載處的反射系數(shù)L 與特性阻抗Zc 和負(fù)載ZL 有如下關(guān)系： 可見(jiàn)，負(fù)載的性質(zhì)直接影響PCB 傳輸線的工作狀態(tài)，有下列三中可討論情況：A）ZL=Zc 時(shí)，此時(shí)負(fù)載處于匹配狀態(tài)，能量全部被負(fù)載吸收。B）ZL =0 時(shí)，表明負(fù)載無(wú)能量吸收（

32、負(fù)載電壓為零）而全部反射。此狀態(tài)下，負(fù)載處反射波電壓與入射波電壓振幅相等，相位相反。C）ZL =時(shí)，表明負(fù)載上仍然無(wú)能量吸收（負(fù)載電流為零）而全部反射。此狀態(tài)下，負(fù)載處反射波電壓與入射波電壓振幅相等，相位相反。進(jìn)一步討論ZL>Zc 及 ZL<Zc，可得出介于上述三方面典型狀態(tài)之間的中間狀態(tài)，并具有實(shí)際指導(dǎo)意義（此處略）。綜上所述，的高頻電路PCB 設(shè)計(jì)原則如下： PCB 上某段傳輸線特性阻抗Zc 應(yīng)盡可能保持處處相等（即分布參數(shù)處處相等），線寬應(yīng)保持一致。 每段PCB 傳輸線終端處信號(hào)處理網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗應(yīng)盡可能與傳輸線特性阻抗相近（即L、C 參數(shù)相近，通常為250700）。 PCB

33、 走線應(yīng)盡可能短，即保證工作波長(zhǎng) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于走線長(zhǎng)度。 信號(hào)處理網(wǎng)路之接地板線應(yīng)盡可能短，通常采用金屬化孔形式與RF 的接地板直接相通，否則便構(gòu)成PCB傳輸線終端短路形式而產(chǎn)生全反射。 杜絕出現(xiàn)任何形式的一端懸空之PCB 走線（包括因PCB 加工工藝而導(dǎo)致的走線邊緣毛刺等形式），以避免ZL =而導(dǎo)致的全反射現(xiàn)象。 對(duì)RF 電路網(wǎng)絡(luò)，反射現(xiàn)象只會(huì)干擾電路的正常處理功能或作用，并且總是影響其穩(wěn)定性的根源之一。（二）駐波與駐波系數(shù)S 參數(shù)1駐波概念當(dāng)PCB 傳輸線終端負(fù)載短路，ZL =0，使得入射波與反射波電壓幅度相等而相位相反（相差），致使終端的電壓波彼此全部抵消而為零。圖8 所示的為負(fù)載短路傳輸時(shí)

34、，入射波和反射波分布圖。由圖可見(jiàn)，隨著時(shí)間延遲，入射波從左向右移動(dòng)，在終端移相后形成反射波又從右向左移動(dòng)。沿PCB 傳輸線二者相加而形成另一種波的分布形式，這就是駐波，如圖9 所示。當(dāng)PCB 傳輸線上形成駐波時(shí)，能量不再沿線傳輸，好象“駐扎”在PCB 傳輸線上一樣（與行波狀態(tài)向?qū)?yīng)）?？赏瞥鲇嘞译妷翰ǖ鸟v波表達(dá)式為：u=Um(t) Sinz式中 Um(t)=2Um Sint可見(jiàn)，電壓沿PCB 傳輸線按簡(jiǎn)諧波規(guī)律分布，其幅值Um(t) 隨時(shí)間變化，而節(jié)點(diǎn)（電壓或電流永遠(yuǎn)為零的點(diǎn)）和腹點(diǎn)（具有最大值的點(diǎn)），分布規(guī)律不隨時(shí)間而變化，從而形成周期性脈動(dòng)簡(jiǎn)諧波。同樣可知電流駐波具有相同的分布規(guī)律，只是節(jié)

35、點(diǎn)（或腹點(diǎn)）錯(cuò)位1/4 波長(zhǎng)，兩者距短路處距離均為1/4 波長(zhǎng)的整數(shù)倍。2駐波系數(shù)S（也稱(chēng)電壓駐波比）實(shí)際中，上述純駐波是不存在的。由于PCB 傳輸線的損耗使得駐波永遠(yuǎn)小于行波，即兩者同時(shí)發(fā)生。PCB 傳輸線的實(shí)際不勻稱(chēng)性（幾何尺寸），也使得即使是完全的匹配負(fù)載情況下，也將引起能量的部分反射而產(chǎn)生駐波。即，實(shí)際中駐波是疊加在行波上的非純駐波。純駐波表示入射波幅度A 與反射波幅度B 相等，即反射系數(shù)=1（注意這里為 復(fù)數(shù)的模值），非純駐波則表示B<A，<1。為全面衡量實(shí)際PCB 傳輸線上存在的各種駐波狀態(tài)，通常用電壓駐波系數(shù)棗S 參數(shù)來(lái)衡量。S 參數(shù)表示PCB 傳輸線駐波的腹點(diǎn)電壓U

36、max 與節(jié)點(diǎn)電壓Umin 之比，即S=Umax/Umin圖10 表示任意情況下電壓駐波幅度沿PCB 傳輸線的分布圖?？梢宰C明：Umax=A+B；Umin=A-B 并可推出S=（1+）/（1-）式中=A/B 為反射系數(shù)模數(shù)，則有=（S-1）/（S+1）因=01，故S 參數(shù)為等于或大于1 的正數(shù)。可知，負(fù)載完全匹配時(shí)，=0，S=1。由上述可見(jiàn)，駐波系數(shù)棗S，完全可表征高頻信號(hào)（尤其是微波信號(hào)）傳輸上的工作狀態(tài)。在微波電路中，通常S=1.053。表征某些具有集中參數(shù)特性的元器件時(shí)，有時(shí)又稱(chēng)S 參數(shù)為耗散或散射系數(shù)。無(wú)論耗散或散射，導(dǎo)致的直接因素都是駐波。所以用電壓駐波比來(lái)表征元器件S 參數(shù)是最適當(dāng)

37、的因?yàn)殡妷厚v波比可以幫助理解一些電路中的微觀概念并結(jié)合其出入端PCB 傳輸線統(tǒng)一衡量其特性。綜上所述，得微波電路PCB 設(shè)計(jì)原則如下： 駐波，是實(shí)際電路不穩(wěn)定或與設(shè)計(jì)要求不符的根源之一。設(shè)計(jì)中應(yīng)充分保證S 參數(shù)盡可能接近1，即：S參數(shù)越小越好（通常S=1.053）。實(shí)際中，測(cè)量駐波系數(shù)比測(cè)量反射系數(shù)要簡(jiǎn)單得多。因此，測(cè)量技術(shù)中一般只用駐波系數(shù)。 過(guò)長(zhǎng)的地線或懸空線（包括因PCB 設(shè)計(jì)或加工所導(dǎo)致的微小毛刺等各類(lèi)形式），可形成較強(qiáng)的駐扎波，從而形成輻射干擾。 過(guò)強(qiáng)的反射波將對(duì)信號(hào)源形成干擾（包括信號(hào)處理環(huán)節(jié)的相對(duì)“源” ）。 駐波干擾正常信號(hào)傳輸，使信噪比下降。 S 參數(shù)值取決于反射系數(shù)，即：取

38、決于PCB 傳輸線特性與負(fù)載終端。故PCB 設(shè)計(jì)中，不僅要考慮走線特性構(gòu)造，也應(yīng)充分考慮每一信號(hào)走線之傳輸終端負(fù)載的匹配設(shè)計(jì)。這是保證電路品質(zhì)的根本。 切勿孤立考察元器件S 參數(shù)，必須結(jié)合其輸入輸出信號(hào)傳輸走線來(lái)全面衡量，即：應(yīng)結(jié)合元器件具體組合的網(wǎng)路來(lái)考察。（三）PCB 傳輸線的輸入阻抗1PCB 傳輸線接任意負(fù)載如果PCB 傳輸線終端接任意負(fù)載（即PCB 傳輸線終端既不短路開(kāi)路，也不匹配），必然是負(fù)載只吸收部分能量，將其余能量反射回信號(hào)源，導(dǎo)致PCB 傳輸線上同時(shí)存在駐波與行波，即PCB 傳輸線工作在行駐波狀態(tài)?？梢酝瞥龉ぷ髟谛旭v波狀態(tài)下的PCB 傳輸線存在如下結(jié)論： 入射波與反射波之合成波

39、仍然是簡(jiǎn)諧波。 在每/4 范圍內(nèi)，合成波峰在波的行進(jìn)過(guò)程中連續(xù)單調(diào)變化，即功率信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí)伴隨著脈動(dòng)，其周期為/2。 波腹點(diǎn)（或波節(jié)點(diǎn)）之間相距/2。 電流波節(jié)點(diǎn)與電壓波腹點(diǎn)對(duì)應(yīng)，電流波腹點(diǎn)與電壓波節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，即電流波和電壓波之腹、節(jié)點(diǎn)相距/4。 電流波節(jié)點(diǎn)（或電壓波腹點(diǎn)）距負(fù)載處為/4 的奇數(shù)倍；電流波腹點(diǎn)（或電壓波節(jié)點(diǎn)）距負(fù)載處為/4的偶數(shù)倍。2PCB 傳輸線輸入阻抗PCB 傳輸線被信號(hào)源激勵(lì)時(shí)，沿PCB 傳輸線各點(diǎn)都存在電流和電壓，并服從歐姆定律，即（=R+jX）阻抗值與PCB 傳輸線上的位置有關(guān)。在PCB 傳輸線與激勵(lì)源銜接處，PCB 傳輸線輸入端阻抗成為激勵(lì)源負(fù)載，即輸入阻抗Zin

40、值及其性質(zhì)與PCB 傳輸線工作狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)PCB 傳輸線工作在純駐波狀態(tài)時(shí)，不從激勵(lì)源獲得能量，此時(shí)其輸入阻抗呈純電抗性。若PCB 傳輸線工作在行駐波狀態(tài)，此時(shí)對(duì)激勵(lì)源呈現(xiàn)的輸入阻抗既有電抗分量，又有電阻分量（體現(xiàn)為復(fù)數(shù)）。可推出PCB 傳輸線輸入阻抗的三個(gè)計(jì)算公式如下：Zin = 1+(ZL-Zc) / (ZL+Zc)e-j2LZc / 1-(ZL-Zc)/(ZL+Zc)e-j2LZin = (1+L e-j2L)Zc / (1-L e-j2L)Zin = ZL+jZc tg(2L/)Zc / Zc+jZL tg(2L/)上式中，=2/，L=PCB 傳輸線長(zhǎng)度。 可見(jiàn)，Zin 與ZL（或終端

41、反射系數(shù)）、Zc、L 及 均有關(guān)聯(lián)。3利用PCB 傳輸線構(gòu)造諧振回路與RF 電路關(guān)系較密切的PCB 傳輸線終端負(fù)載狀態(tài)有如下幾種可討論情況：終端負(fù)載短路（ZL=0）、開(kāi)路（ZL=）以及接不等于特性阻抗的純電阻R（ZcR）（1）對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的PCB 傳輸線，當(dāng)終端負(fù)載短路時(shí)，可得Zin = jZc tg(2L/)可見(jiàn)，Zin 為純電抗特性，且隨線長(zhǎng)L 和工作波長(zhǎng) 而變化?？梢灾溃?只改變線長(zhǎng)L 時(shí)，輸入阻抗是線長(zhǎng)的周期函數(shù)，周期為/2。 線上電壓波節(jié)（或電流波腹）處，阻抗為零（與串聯(lián)諧振回路的諧振阻抗等效）；而在電壓波腹（或電流波節(jié)）處，阻抗無(wú)窮大（與并聯(lián)諧振回路的諧振阻抗等效）。Zin 隨及

42、L 的變化規(guī)律如圖11 所示。 當(dāng)串聯(lián)諧振阻抗為零時(shí)，有jZc tg(2L/)=0，可得2L/=n，即L=n(/2) (n=1，2，3，镲)可見(jiàn)，當(dāng)L=/2，3/2镲時(shí)，短路線Zin 可等效為串聯(lián)諧振回路。 當(dāng)并聯(lián)諧振阻抗為無(wú)窮大時(shí)，jZc tg(2L/)=，可得2L/=(2n-1)/2，即L=(2n-1)/4 (n=1，2，3，镲)可見(jiàn)，當(dāng)L=/4，3/4，5/4镲時(shí)的短路線Zin 可等效為并聯(lián)諧振回路。 當(dāng)0<L</4 時(shí)，短路線Zin 相當(dāng)于感抗，可等效為一電感。當(dāng)/4<L</2 時(shí)，短路線Zin 相當(dāng)于容抗，可等效為一電容，并隨著L 每增加/4，其電抗性質(zhì)改變一

43、次。每增加/2，其阻抗值便重復(fù)一次。利用阻抗變換特性可構(gòu)造廣泛用于微波電路的“阻抗變換器”（該方面也是后續(xù)將論述的微帶構(gòu)造實(shí)質(zhì)方面之一）。 導(dǎo)致上述特性的根本原因是終端短路PCB 傳輸線存儲(chǔ)而不消耗能量，即線上電壓波腹存儲(chǔ)電能，電流波腹存儲(chǔ)磁能。因入射波能量等于反射波能量，故沿PCB 傳輸線方向上沒(méi)有能量流通，因而電流并不消耗能量。（2）對(duì)于終端開(kāi)路的PCB 傳輸線，可以推知：只要將PCB 傳輸線長(zhǎng)度縮短（或延長(zhǎng)）/4，即可獲得開(kāi)路下各項(xiàng)結(jié)果。例如： 在微波電路中，不可能獲得高阻抗（即開(kāi)路）特性，或者說(shuō)，開(kāi)路特性可以通過(guò)短路線來(lái)構(gòu)造。 一般而言，接純電阻負(fù)載的實(shí)際PCB 傳輸線，由于不均勻性而

44、存在駐波，其輸入阻抗通常是復(fù)數(shù)。 在許多情況下的負(fù)載，電阻部分常起重要作用，而電抗部分則可以通過(guò)改變PCB 傳輸線長(zhǎng)度加以補(bǔ)償。4阻抗變換與匹配（1）在低頻電路中，匹配的概念是相當(dāng)重要的（使負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)阻共軛相等）。在微波電路中，信號(hào)線終端的匹配更為重要：一方面要求ZL=Zc，保證沿線無(wú)駐波；另一方面，為獲得最大功率，要求信號(hào)線輸入端與激勵(lì)源相接時(shí)應(yīng)共軛匹配。因此，匹配對(duì)微波電路的工作性能產(chǎn)生直接影響?？梢?jiàn)： 若終端不匹配，信號(hào)線上會(huì)產(chǎn)生反射和駐波，導(dǎo)致負(fù)載功率下降（高功率駐波還會(huì)在波腹點(diǎn)產(chǎn)生打火現(xiàn)象）。由于反射波的存在，將對(duì)激勵(lì)源產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致工作頻率和輸出功率穩(wěn)定性下降。然而，實(shí)

45、際中給定的負(fù)載阻抗與信號(hào)線特性阻抗不一定相同，信號(hào)線與激勵(lì)源阻抗也不一定共軛，因而必須了解及應(yīng)用阻抗匹配技術(shù)。（2）/4 阻抗變換器當(dāng)信號(hào)線長(zhǎng)L =/4，即L =/2 時(shí)，可得Zin = Zc2/ZL上式表明，經(jīng)/4PCB 傳輸線變換后，其阻抗將發(fā)生顯著變化。可以知道： 當(dāng)ZL 不匹配時(shí)，可利用對(duì)PCB 傳輸線的再構(gòu)造來(lái)達(dá)到匹配目的。對(duì)于兩段特性阻抗分別為Z'c、Z"c 的PCB 傳輸線，可通過(guò)的PCB 傳輸線連接以達(dá)到使Z'c 與Z"c匹配的目的。 需注意的是：/4 阻抗變換器匹配兩段阻抗不同的PCB 傳輸線后的工作頻率很窄。（3）單分支短路線匹配 可采用

46、在PCB 傳輸線適當(dāng)位置并接經(jīng)過(guò)適當(dāng)構(gòu)造之短路線的形式改變PCB 傳輸線阻抗而達(dá)到匹配目的。綜上所述，可得微波電路及其PCB 設(shè)計(jì)原則如下： 電路中每一環(huán)節(jié)與其輸入輸出端PCB 傳輸線（或來(lái)自上一環(huán)節(jié)，或去至下一環(huán)節(jié)）之間，必須進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)中，可利用元器件達(dá)到目的，也可以直接利用PCB 傳輸線規(guī)格構(gòu)造來(lái)達(dá)到目的。 在實(shí)際中，如果設(shè)計(jì)的電路及其PCB 具有足夠的抗干擾余量，則無(wú)論阻抗如何遠(yuǎn)離匹配狀態(tài)，均可以維持預(yù)定工作狀態(tài)。所以，余量設(shè)計(jì)也是必不可少的設(shè)計(jì)步驟之一。通常的原則是保證10%的余量（參見(jiàn)有關(guān)資料）。 RF 電路中的剩余頻偏除來(lái)自于噪聲外，還來(lái)自于行駐波的周期性脈動(dòng)，即載

47、波信號(hào)在行進(jìn)過(guò)程中周期脈動(dòng)而形成之包絡(luò)線構(gòu)成的假性調(diào)制（也是噪聲源之一），但更多的情況是導(dǎo)致中心頻點(diǎn)偏移，形成不穩(wěn)定的假性頻點(diǎn)。 將波腹點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)等效為線上電抗，可以通過(guò)構(gòu)造PCB 傳輸線規(guī)格來(lái)改變?cè)幸?guī)律（電流波對(duì)應(yīng)于電感，電壓波對(duì)應(yīng)于電容）。 PCB 中信號(hào)傳輸線路應(yīng)盡可能短，并盡量遠(yuǎn)小于/4。 PCB 傳輸線與激勵(lì)源之間的匹配，必須通過(guò)構(gòu)造PCB 傳輸線規(guī)格來(lái)達(dá)到目的。注意：所謂激勵(lì)源并非唯一指功能性激勵(lì)信號(hào)源，各不同信號(hào)處理環(huán)節(jié)中，每個(gè)上一級(jí)網(wǎng)路對(duì)下一級(jí)來(lái)說(shuō)，也是激勵(lì)源。 可以通過(guò)改變PCB 傳輸線特性阻抗、長(zhǎng)度及其負(fù)載來(lái)構(gòu)造其輸入阻抗。注意：一個(gè)下一級(jí)PCB 傳輸線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)上一級(jí)

48、來(lái)說(shuō)，也是負(fù)載。 PCB 信號(hào)傳輸線輸入阻抗與工作波長(zhǎng)有關(guān)，故各類(lèi)匹配設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮電路中不同區(qū)域或時(shí)域工作頻點(diǎn)。 通過(guò)在PCB 上設(shè)計(jì)構(gòu)造不同長(zhǎng)度的短路傳輸線（有時(shí)還需進(jìn)行規(guī)格與形狀設(shè)計(jì)），可以構(gòu)成各種諧振回路。 利用短路傳輸線在PCB 上設(shè)計(jì)諧振回路中，應(yīng)注意工作頻率對(duì)線長(zhǎng)的限定。 對(duì)微波級(jí)電路之PCB，不存在高阻抗特性，因此需注意懸空線段（有時(shí)僅僅是一點(diǎn)尖刺）將會(huì)導(dǎo)構(gòu)成有害諧振回路（例如導(dǎo)致局部自激振蕩等）。 采用單分支短路線改善匹配條件，是PCB 設(shè)計(jì)手段之一。 可以知道RF 發(fā)射天線匹配的有效長(zhǎng)度（另文介紹）。注：通過(guò)后續(xù)說(shuō)明將可知道，上述傳輸線就是微帶線。【返回頁(yè)首】六微帶線（一）

49、微帶基本概念在前述中，所有涉及微帶線的地方均以條狀PCB 傳輸線替代，而未考慮接地板的作用。通常的微帶線，是由層積在介質(zhì)基片上的導(dǎo)體帶條和地板構(gòu)成。按基本結(jié)構(gòu)可分為非對(duì)稱(chēng)式和對(duì)稱(chēng)式兩種（如圖所示）。微帶線是微波集成電路的主要組成部分。在集成電路中，可以用于連接元器件及構(gòu)成電容、電感、諧振器、濾波器等微波元器件。微帶線（即非對(duì)稱(chēng)微帶傳輸線）的基本結(jié)構(gòu)是由雙傳輸線的一個(gè)特定應(yīng)用，或稱(chēng)基本的雙傳輸線演變得到，演變的原則是：雙傳輸線上電磁場(chǎng)分布為橫電磁波（如圖13-a 所示），若在兩線間構(gòu)成的平面垂直插入一導(dǎo)電良好的金屬板（如圖13-b 所示），將不會(huì)改變雙傳輸線的電磁場(chǎng)分布規(guī)律，而在條狀態(tài)導(dǎo)體與金屬

50、板之間填入介質(zhì)材料，即構(gòu)成常規(guī)微帶。對(duì)于微波集成電路（MW-IC）中的微帶，介質(zhì)基片是利用優(yōu)良的專(zhuān)用材料（如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等），但通常的產(chǎn)品工程（尤其是RF 電路）中卻是利用常規(guī)（雙層或多層）PCB 來(lái)構(gòu)造微帶電路，以此作為降低成本的主要途徑。由圖13 所示的演變過(guò)程及圖13-d 可知：微帶線內(nèi)的場(chǎng)分布仍然為橫電磁波。由于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)較大，所以電磁場(chǎng)能量大部分集中在導(dǎo)體帶條與接地板之間的介質(zhì)夾層內(nèi)傳輸，從而比空氣介質(zhì)損耗減少，工作頻率提高。 可見(jiàn)，構(gòu)造微帶線的PCB 基板應(yīng)選用相對(duì)介質(zhì)常數(shù)較大的材料。另外，由于微帶線中的介質(zhì)既有空氣，又有介質(zhì)基片，屬于非勻稱(chēng)介質(zhì)情況，從而造成場(chǎng)結(jié)

51、構(gòu)的變化，微帶線內(nèi)電磁場(chǎng)將出現(xiàn)縱向分量。但當(dāng)尺寸選擇合適并保證工作頻率低于5GHz 時(shí)，其縱向分量很小，在產(chǎn)品工程實(shí)際中，可仍然按橫電磁波（TEM）處理而誤差較小?！痉祷仨?yè)首】（二）微帶線的特性阻抗根據(jù)上述傳輸線理論，可知微帶線特性阻抗或?qū)D14 所示的標(biāo)準(zhǔn)微帶線，因其是空氣和基板組成的非勻稱(chēng)介質(zhì)系統(tǒng)。所以其特性阻抗應(yīng)介于與之間。可以推出為 。式中，Zc=空氣微帶線特性阻抗，e =有效介電常數(shù)。e 表征微帶線處于非勻稱(chēng)介質(zhì)中時(shí)，空氣和介質(zhì)共同對(duì)微帶線阻抗的影響程度?？梢酝瞥觯篫c0=60ln(8h/w-w/4h) （當(dāng)w/h1）Zc0=120/w/h+2.42-0.44h/w+(1-h/w)6

52、 （當(dāng)w/h1）e=(r +1)/2+(r -1)/2(1+10h/w)-1/2上列三式表明，空氣微帶線特性阻抗Zc 只與其結(jié)構(gòu)參數(shù)w、h 有關(guān)。有效介電常數(shù)e 除與w、h 有關(guān)外，還與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)r 有關(guān)。當(dāng)h/w 很?。磳?dǎo)體帶條很寬或距離接地板較近）時(shí)，er，此時(shí)可認(rèn)為電力線全部集中在介質(zhì)內(nèi)。相反，當(dāng)w/h 很小（即導(dǎo)體條帶很窄或距離接地板較遠(yuǎn)）時(shí)，e(1+r)/2 相當(dāng)于空氣介質(zhì)和基板介質(zhì)的平均值。故e 在此兩種極端情形之間變化。 利用上述公式，可以求得基板介電常數(shù)為r 時(shí)，不同w/h 之微帶線的特性阻抗Zc（誤差小于1.2%）。顯然，也可做相反計(jì)算，即已知Zc、，求w/h 值。

53、這也是微波電路PCB 常用的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際中，常利用上列公式，采用查表法和查曲線法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算（有關(guān)方法請(qǐng)參考相關(guān)技術(shù)資料）。由上述可以知道有關(guān)微波電路PCB 的設(shè)計(jì)原則如下： PCB 帶狀條規(guī)格將決定其構(gòu)成的微帶線特性阻抗。 可通過(guò)在帶狀條上附加鍍層方式改變微帶線結(jié)構(gòu)特征（同時(shí)需考慮鍍層之有關(guān)趨膚效應(yīng)的參數(shù)）。 工作頻率越高，越需要采用盡可能薄的PCB 基板。 若空間允許，應(yīng)盡可能是信號(hào)走線保持一定寬度?！痉祷仨?yè)首】（三）微帶線的損耗微帶線的損耗主要包括基板的介質(zhì)損耗、導(dǎo)體的歐姆損耗和輻射損耗。前兩種損耗是主要的。只要微帶線尺寸適當(dāng)，基板的介電常數(shù)較高，輻射損耗就可忽略不計(jì)。 可見(jiàn)，若想降

54、低輻射干擾，首先應(yīng)考慮如何規(guī)范微帶線規(guī)格及基板材料。損耗將導(dǎo)致信號(hào)在微帶線中的衰減，常用衰減系數(shù)表示這種衰減特性。微帶線的衰減主要由介質(zhì)衰減常數(shù)d 和歐姆衰減常數(shù)c 來(lái)決定，即=d+c 表示微帶線單位長(zhǎng)度上信號(hào)（電壓或電流）振幅衰減的對(duì)數(shù)值。兩種主要損耗相比，歐姆損耗要大得多?？梢灾廊缦翽CB 設(shè)計(jì)原則： 介質(zhì)損耗對(duì)衰減影響不顯著。盡管如此，對(duì)于高頻小信號(hào)（微波級(jí)），仍然應(yīng)適當(dāng)考慮。 導(dǎo)體帶條規(guī)格形式對(duì)衰減影響較大。 基板越薄，衰減越小。 基板光潔度越高，衰減越小。 設(shè)計(jì)微帶線必須考慮各種因素。在要求低成本情況下獲得衰減最小的微帶線。（四）耦合微帶線和微帶線的不均勻性1耦合微帶線耦合微帶線（

55、相臨兩根帶條之間存在電磁耦合），是某些微帶電路的基本組成部分。與具有孤立分布參數(shù)系統(tǒng)的單根微帶線相比，耦合微帶線在激勵(lì)源作用下存在相互作用（類(lèi)似于電源變壓器初次級(jí)線圈之間的相互影響）。通常的耦合微帶線，包括兩個(gè)條帶和四個(gè)端口，屬于四端口網(wǎng)絡(luò)。目前最常用的分析方法為奇模激勵(lì)法與偶模激勵(lì)法，簡(jiǎn)稱(chēng)“奇偶模參量法” ，其電磁場(chǎng)的分布如圖16 所示。 由于四端口網(wǎng)絡(luò)及其分析方法較復(fù)雜，常常易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際與分析結(jié)果不相符合的情況（微帶規(guī)格與工藝精度是主要導(dǎo)致原因），故通常在微波集成電路（MW-IC）中應(yīng)用。可以知道： RF 電路中應(yīng)避免形成耦合微帶電路（不包括特意設(shè)計(jì)的微帶電路），即：在兩根帶條之間應(yīng)保持足夠距離，通常對(duì)于800MHz 以上工作頻率，應(yīng)不小于1mm（盡可能增大），并且隨著頻率增加而增加相互間距。如此，相互間的耦合效應(yīng)方可忽略。 耦合微帶線的各類(lèi)參數(shù)與單根微帶線一樣，與其規(guī)格參數(shù)w、s、h 有關(guān)。2微帶線的不均勻性在實(shí)際PCB 設(shè)計(jì)及加工中，由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及加工工藝等問(wèn)題（有些則是特意而為），常常出現(xiàn)如下圖所示的不均勻微帶線。在具有不均勻性的區(qū)域，場(chǎng)的結(jié)構(gòu)將發(fā)生很大變化，使得沿線傳輸?shù)碾姶挪ǔ诓痪鶆蛱幇l(fā)生反射外，還有部分電磁能被存儲(chǔ)。因此，當(dāng)微帶線損耗較低時(shí)，這種不均勻性可等效為串聯(lián)或并聯(lián)在電路中的電抗元件（如電容、電感、無(wú)耗損傳輸線段等）。